CN110473969B - 钙钛矿电池及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿电池及其应用，该钙钛矿电池包括：透明导电层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和电极层，所述钙钛矿层包括多层连续且具有不同带隙的钙钛矿材料层。该钙钛矿电池中不同带隙的钙钛矿材料层可吸收不同波长的光，与单一钙钛矿层的电池相比，能够产生更多的电流，且电压损失较小，同时该电池能使用与传统钙钛矿太阳能电池相同的工艺进行加工，即无需额外的工艺即可获得优于单一钙钛矿电池效率的电池。由此，有利于提高钙钛矿电池的性能，同时不额外增加成本。

Description

钙钛矿电池及其应用
技术领域
本发明属于太阳能应用技术领域，具体而言，本发明涉及钙钛矿电池及其应用。
背景技术
近年来，基于有机铅卤化物的杂化太阳能电池(或称钙钛矿太阳能电池)作为一种新型的高效薄膜太阳能电池受到了广泛的关注。据报道，在小面积下，单个器件的功率转换效率大于20％，且采用溶液镀膜法可以很容易地制备出薄膜型吸收层。此外，由于钙钛矿太阳能电池主要在低温下制造，因此有可能制造出柔性的钙钛矿太阳能电池。典型平板式钙钛矿太阳能组件的结构包括前玻璃基板、透明电极、电子传输层、光活性层(钙钛矿)、空穴传输层、金属电极，以及由氧化铟锡(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)制成的具有低功函数并以Au或Ag作为电极的透明电极(TCO)。为了取代染料敏化太阳能电池(DSSC)中的有机钌或有机染料，将CH3NH3PBI3(甲基碘化铅铵；MALI)钙钛矿材料作为光活性层的研究已经开展，其他各种类型的薄膜太阳能电池，如介观异质结构、平板式异质结构等也有相关报道。
然而，虽然现有钙钛矿薄膜太阳能电池具有很高的效率和低成本的潜力，但仍需解决以下问题，以进一步提高效率。钙钛矿材料的带隙范围为1.3-2.1ev，具体值取决于其成分。它们的开路电压(Voc)由于其较大的带隙而高达1.1-1.2eV，但短路电流(Jsc)值为22-24mA/cm2，相对低于短路电流值约40mA/cm2的硅晶片基太阳能电池。即使与相同薄膜类型的铜铟镓硒或碲化镉太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池的Jsc值较低，这是因为它在较大带隙的太阳光谱的波长范围(<800nm)的吸收极限。图1和2显示了单带隙钙钛矿电池的Voc和Jsc值，由图1和2可知，单带隙钙钛矿电池的Voc和Jsc值取决于钙钛矿层的带隙，带隙越大，Voc越高，Jsc越低。电池参数之间的这种权衡关系限制了钙钛矿薄膜太阳能电池效率的进一步提高。迄今为止，对钙钛矿太阳能电池的研究大多集中在单个钙钛矿层的最佳组成和/或结构优化上，关于多层钙钛矿和能带之间研究的报道较少。
因此，现有钙钛矿电池技术有待进一步改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种钙钛矿电池及其应用。该钙钛矿电池中不同带隙的钙钛矿材料层可吸收不同波长的光，与单一钙钛矿层的电池相比，能够产生更多的电流，且电压损失较小，同时该电池能使用与传统钙钛矿太阳能电池相同的工艺进行加工，即无需额外的工艺即可获得优于单一钙钛矿电池效率的电池。由此，有利于提高钙钛矿电池的性能，同时不额外增加成本。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种钙钛矿电池，根据本发明的实施例，该电池包括：透明导电层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和电极层，所述钙钛矿层包括多层连续且具有不同带隙的钙钛矿材料层。根据本发明实施例的钙钛矿电池，通过在钙钛矿层设立多层连续且具有不同带隙的钙钛矿材料层，不同带隙的钙钛矿材料层可吸收不同波长的光，与单一钙钛矿层的电池相比，本申请中的多层结构能够产生更多的电流，且电压损失较小，同时该电池能使用与传统钙钛矿太阳能电池相同的工艺进行加工，即通过采用本申请的技术方案，无需额外的工艺即可获得优于单一钙钛矿电池效率的电池。
另外，根据本发明上述实施例的钙钛矿电池还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述钙钛矿层包括第一钙钛矿材料层和第二钙钛矿材料层，所述第一钙钛矿材料层位于所述电子传输层和所述第二钙钛矿材料层之间，所述第二钙钛矿材料层位于所述第一钙钛矿材料层和所述空穴传输层之间。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述钙钛矿层为结构为ABX3的有机金属卤化物钙钛矿，其中，A选自CH3NH3 +、NH2CH＝NH2 +、CH3CH2NH3 +中的至少之一，B选自Sn2+、Pb2+和Cs+、Rb+中的至少之一，X选自I-和Br-、Cl-中的至少之一。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述第一钙钛矿材料层的厚度小于所述第二钙钛矿材料层的厚度。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述第一钙钛矿材料层与所述第二钙钛矿材料层的厚度比为0.1-1.2：1。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述第一钙钛矿材料层的带隙小于所述第二钙钛矿材料层的带隙。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述第一钙钛矿材料层相对于所述第二钙钛矿材料层的能带偏移范围为-0.4～0eV。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述钙钛矿层包括Ⅰ钙钛矿材料层、Ⅱ钙钛矿材料层、Ⅲ钙钛矿材料层，所述Ⅰ钙钛矿材料层位于所述电子传输层和所述Ⅱ钙钛矿材料层之间，所述Ⅱ钙钛矿材料层位于所述Ⅰ钙钛矿材料层和所述Ⅲ钙钛矿材料层之间，所述Ⅲ钙钛矿材料层位于所述Ⅱ钙钛矿材料层和所述空穴传输层之间。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述Ⅰ钙钛矿材料层和所述Ⅱ钙钛矿材料层、所述Ⅲ钙钛矿材料层的厚度依次增大。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述Ⅰ钙钛矿材料层和所述Ⅱ钙钛矿材料层、所述Ⅲ钙钛矿材料层的厚度比为0.01-0.4：0.1-1.2：1。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述Ⅰ钙钛矿材料层的带隙大于所述Ⅱ钙钛矿材料层的带隙，所述Ⅲ钙钛矿材料层的带隙大于所述Ⅱ钙钛矿材料层的带隙。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述Ⅱ钙钛矿材料层的带隙为1.4eV。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的一些实施例中，所述Ⅰ钙钛矿材料层相对于所述Ⅱ钙钛矿材料层的导电偏移范围为-0.33～0.08eV，所述Ⅱ钙钛矿材料层相对于所述Ⅲ钙钛矿材料层的导电偏移范围为-0.5～0.03eV。由此，可进一步提高钙钛矿电池的性能。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种太阳能组件，根据本发明的实施例，所述太阳能组件具有上述钙钛矿电池。因该钙钛矿电池具有多层连续且具有不同带隙的钙钛矿材料层，不同带隙的钙钛矿材料层可吸收不同波长的光，与单一钙钛矿层的电池相比，该电池能够产生更多的电流，且电压损失较小，同时该电池能使用与传统钙钛矿太阳能电池相同的工艺进行加工，即无需额外的工艺即可获得优于单一钙钛矿电池效率的电池。由此，有利于提高钙钛矿电池的性能，同时不额外增加成本。进而，可提高太阳能组件的性能。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有单钙钛矿层电池的短路电流-带隙关系图；
图2是现有单钙钛矿层电池的开路电压-带隙关系图；
图3是根据本发明一个实施例的钙钛矿电池的结构示意图；
图4是根据本发明再一个实施例的钙钛矿电池的结构示意图；
图5是实施例1中钙钛矿电池与带隙为1.4eV和1.57eV的单钙钛矿层电池的短路电流-开路电压关系图；
图6是实施例2中钙钛矿电池与带隙为1.57eV的单钙钛矿层电池、实施例1中钙钛矿电池的短路电流-开路电压关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种钙钛矿电池，根据本发明的实施例，参考图3和4，该电池包括：透明导电层100、电子传输层200、钙钛矿层300、空穴传输层400和电极层500，钙钛矿层300包括多层连续且具有不同带隙的钙钛矿材料层。钙钛矿层为结构为ABX3的有机金属卤化物钙钛矿，其中，A可以选自CH3NH3 +、NH2CH＝NH2 +、CH3CH2NH3 +中的至少之一，B可以选自Sn2+、Pb2+和Cs+、Rb+中的至少之一，X可以选自I-和Br-、Cl-中的至少之一。发明人发现，可以通过上述有机元素中更大的阳离子来调控带隙从而获得更高的电池效率。
需要说明的是，钙钛矿材料层的具体数量及各层钙钛矿材料层的带隙并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
根据本发明的一个实施例，参考图3，钙钛矿层300可以包括第一钙钛矿材料层310和第二钙钛矿材料层320，第一钙钛矿材料层310位于电子传输层200和第二钙钛矿材料层320之间，第二钙钛矿材料层320位于第一钙钛矿材料层310和空穴传输层400之间。发明人发现，因第一钙钛矿材料层310和第二钙钛矿材料层320具有不同的带隙，使得第一钙钛矿材料层310和第二钙钛矿材料层320能吸收不同波长的光，增加钙钛矿层300对光的吸收率，与单一钙钛矿层的电池相比，能够产生更多的电流，且电压损失较小。优选的，第一钙钛矿材料层310的带隙小于第二钙钛矿材料层320的带隙，发明人发现，第一钙钛矿材料层310的带隙小于第二钙钛矿材料层320的带隙有利于第一钙钛矿材料层310吸收第二钙钛矿材料层320不吸收的光，使得钙钛矿电池吸收了较宽波长范围的光，增加了电池的Jsc，同时与单层钙钛矿电池相比，因第二钙钛矿材料层320的前端有一个窄带隙的第一钙钛矿材料层310，与单个钙钛矿相比，电池的Voc没有大幅度降低。根据太阳能电池变换效率的计算公式效率＝Voc*Jsc*填充因子FF，因Jsc增加的幅度大于Voc下降的幅度，故电池的效率整体得到提升。进一步的，为了有效地收集电荷，第一钙钛矿材料层310相对于第二钙钛矿材料层320的能带偏移范围为-0.4～0eV，例如可以为0eV、-0.1eV、-0.2eV、-0.3eV、-0.4eV。发明人发现能带偏移超出该范围会导致填充因子明显下降，从而使得电池性能降低。进一步的，第一钙钛矿材料层310的厚度可以小于第二钙钛矿材料层320的厚度，第二钙钛矿材料层320为主吸收层，且第一钙钛矿材料层310可以吸收第二钙钛矿材料层320不吸收的波长范围的光，以增大钙钛矿层的光吸收范围。优选的，第一钙钛矿材料层310与第二钙钛矿材料层320的厚度比可以为0.1-1.2：1，例如可以为0.1/0.2/0.4/0.6/0.8/1.0/1.2：1。发明人发现，若厚度比超出该范围会导致填充因子明显下降，从而使得电池性能降低。
根据本发明的再一个实施例，参考图4，钙钛矿层300包括Ⅰ钙钛矿材料层330和Ⅱ钙钛矿材料层340、Ⅲ钙钛矿材料层350，Ⅰ钙钛矿材料层330位于电子传输层200和Ⅱ钙钛矿材料层340之间，Ⅱ钙钛矿材料层340位于Ⅰ钙钛矿材料层330和Ⅲ钙钛矿材料层350之间，Ⅲ钙钛矿材料层350位于Ⅱ钙钛矿材料层340和空穴传输层400之间。发明人发现，三层不同带隙值钙钛矿材料层的设计，可进一步扩大钙钛矿层吸收光的波长范围，使得其Jsc绝对值比单层钙钛矿太阳能电池高，同时有利于增强电荷分离，降低电压损失，即可进一步提高钙钛矿电池的效率。优选的，Ⅰ钙钛矿材料层330的带隙大于Ⅱ钙钛矿材料层340的带隙，Ⅲ钙钛矿材料层350的带隙大于Ⅱ钙钛矿材料层340的带隙。发明人发现，在该结构中，Ⅱ钙钛矿材料层340的带隙最小，且位于Ⅰ钙钛矿材料层330和Ⅲ钙钛矿材料层350之间，可显著降低Ⅱ钙钛矿材料层340的较窄带隙引起的Voc损失，从而获得与单钙钛矿太阳能电池相当的Voc，进一步提高钙钛矿电池的效率。进一步优选的，Ⅱ钙钛矿材料层的带隙约为1.4eV，由此可使得钙钛矿电池的效率最高。进一步的，Ⅰ钙钛矿材料层330相对于Ⅱ钙钛矿材料层340的导电偏移范围可以为-0.33～0.08eV，例如可以为0.08eV、0.04eV、0eV、-0.05eV、-0.1eV、-0.15eV、-0.2eV、-0.25eV、-0.3eV、-0.33eV，Ⅱ钙钛矿材料层340相对于Ⅲ钙钛矿材料层350的导电偏移范围可以为-0.5～0.03eV，例如可以为-0.5eV、-0.4eV、-0.3eV、-0.2eV、-0.1eV、0eV、0.03eV。由此，可显著提高电荷的传输效率，进而提高钙钛矿电池的效率。发明人发现，能带偏移超出该发明的范围，会使得电荷迁移受阻更大或电荷能量损失更大，进而导致填充因子明显下降，降低电池性能。进一步的，Ⅰ钙钛矿材料层330和Ⅱ钙钛矿材料层340、Ⅲ钙钛矿材料层350的厚度依次增大，优选的，Ⅰ钙钛矿材料层330和Ⅱ钙钛矿材料层340、Ⅲ钙钛矿材料层350的厚度比可以为0.01-0.4：0.1-0.2：1，例如可以为0.01/0.05/0.1/0.2/0.3/0.4：0.1/0.12/0.14/0.16/0.18/0.2：1。发明人发现，若Ⅱ钙钛矿材料层340较薄，则吸收较长波长的光减少，导致电流更低。而若Ⅱ钙钛矿材料层340较厚，则电荷扩散长度更长，导致填充因子更低，即便电流会有所增加。
根据本发明实施例的钙钛矿电池，通过在钙钛矿层设立多层连续且具有不同带隙的钙钛矿材料层，不同带隙的钙钛矿材料层可吸收不同波长的光，与单一钙钛矿层的电池相比，本申请中的多层结构能够产生更多的电流，且电压损失较小，同时该电池能使用与传统钙钛矿太阳能电池相同的工艺进行加工，即无需额外的工艺即可获得优于单一钙钛矿电池效率的电池。由此，有利于提高钙钛矿电池的性能，同时不额外增加成本。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种太阳能组件，根据本发明的实施例，所述太阳能组件具有上述钙钛矿电池。因该钙钛矿电池具有多层连续且具有不同带隙的钙钛矿材料层，不同带隙的钙钛矿材料层可吸收不同波长的光，与单一钙钛矿层的电池相比，该电池能够产生更多的电流，且电压损失较小，同时该电池能使用与传统钙钛矿电池相同的工艺进行加工，即无需额外的工艺即可获得优于单一钙钛矿电池效率的电池。由此，有利于提高钙钛矿电池的性能，同时不额外增加成本。进而，可提高太阳能组件的性能。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种钙钛矿电池，参考图3，该电池包括：透明导电层100、电子传输层200、钙钛矿层300、空穴传输层400和电极层500，钙钛矿层为结构为ABX3的有机金属卤化物钙钛矿，其中，A可以选自CH3NH3 +、NH2CH＝NH2 +、CH3CH2NH3 +中的至少之一，B可以选自Sn2+、Pb2+和Cs+、Rb+中的至少之一，X可以选自I-和Br-、Cl-中的至少之一。钙钛矿层300包括第一钙钛矿材料层310和第二钙钛矿材料层320，第一钙钛矿材料层310位于电子传输层200和第二钙钛矿材料层320之间，第二钙钛矿材料层320位于第一钙钛矿材料层310和空穴传输层400之间，第一钙钛矿材料层310的厚度为100nm，第二钙钛矿材料层320的厚度为500nm，第一钙钛矿材料层310的带隙为1.4eV，第二钙钛矿材料层320的带隙为1.57eV，第一钙钛矿材料层310相对于第二钙钛矿材料层320的能带偏移范围为-0.4～0eV。
其与带隙分别为1.4eV和1.57eV的单层钙钛矿电池的电流-电压关系如图5所示，由图5可知，对于单层钙钛矿电池，随着带隙增加，其Jsc降低，Voc增加，且带隙为1.4eV的单层钙钛矿电池的Jsc为29.78mA/cm2，Voc为0.910V，Eff为19.39％；带隙为1.57eV的单层钙钛矿电池的Jsc为23.65mA/cm2，Voc为1.069V，Eff为19.37％。而含有带隙为1.4eV和1.57eV的双层钙钛矿材料层的钙钛矿电池，其Jsc为29.20mA/cm2，Voc为0.994V，Eff为19.88％，相对于带隙为1.4eV和1.57eV的单层钙钛矿电池，其Eff得到提升。
实施例2
一种钙钛矿电池，参考图4，该电池包括：透明导电层100、电子传输层200、钙钛矿层300、空穴传输层400和电极层500，钙钛矿层为结构为ABX3的有机金属卤化物钙钛矿，其中，A可以选自CH3NH3 +、NH2CH＝NH2 +、CH3CH2NH3 +中的至少之一，B可以选自Sn2+、Pb2+和Cs+、Rb+中的至少之一，X可以选自I-和Br-、Cl-中的至少之一。钙钛矿层300包括Ⅰ钙钛矿材料层330和Ⅱ钙钛矿材料层340、Ⅲ钙钛矿材料层350，Ⅰ钙钛矿材料层330位于电子传输层200和Ⅱ钙钛矿材料层340之间，Ⅱ钙钛矿材料层340位于Ⅰ钙钛矿材料层330和Ⅲ钙钛矿材料层350之间，Ⅲ钙钛矿材料层350位于Ⅱ钙钛矿材料层340和空穴传输层400之间。Ⅰ钙钛矿材料层330的带隙为2.1eV，Ⅱ钙钛矿材料层340的带隙为1.4eV，Ⅲ钙钛矿材料层350的带隙为1.57eV。Ⅰ钙钛矿材料层330相对于Ⅱ钙钛矿材料层340的能带偏移范围为-0.33～0.08eV，Ⅱ钙钛矿材料层340相对于Ⅲ钙钛矿材料层350的能带偏移范围为-0.5～0.03eV。Ⅰ钙钛矿材料层330和Ⅱ钙钛矿材料层340、Ⅲ钙钛矿材料层350的厚度依次为50nm、100nm和500nm。
其与带隙为1.57eV的单层钙钛矿电池及实施例1中电池的电流-电压关系如图6所示。由图6可知，带隙为1.57eV的单层钙钛矿电池的Jsc为23.65mA/cm2，Voc为1.069V，Eff为19.37％；实施例1的钙钛矿电池的Jsc为29.20mA/cm2，Voc为0.994V，Eff为19.88％；而采用上述方案所得电池的Jsc为29.14mA/cm2，Voc为1.045V，Eff为22.80％，其Jsc比带隙为1.57eV的单层钙钛矿太阳能电池高5.49mA/cm2，与实施例1的双层钙钛矿电池的Jsc值接近，且效率提高3.43％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种钙钛矿电池，其特征在于，包括：透明导电层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和电极层，所述钙钛矿层包括多层连续且具有不同带隙的钙钛矿材料层，
其中，所述钙钛矿层包括Ⅰ钙钛矿材料层、Ⅱ钙钛矿材料层、Ⅲ钙钛矿材料层，所述Ⅰ钙钛矿材料层位于所述电子传输层和所述Ⅱ钙钛矿材料层之间，所述Ⅱ钙钛矿材料层位于所述Ⅰ钙钛矿材料层和所述Ⅲ钙钛矿材料层之间，所述Ⅲ钙钛矿材料层位于所述Ⅱ钙钛矿材料层和所述空穴传输层之间，
所述Ⅰ钙钛矿材料层和所述Ⅱ钙钛矿材料层、所述Ⅲ钙钛矿材料层的厚度依次增大；
所述Ⅰ钙钛矿材料层和所述Ⅱ钙钛矿材料层、所述Ⅲ钙钛矿材料层的厚度比为0.01-0.4：0.1-1.2：1；
所述Ⅰ钙钛矿材料层的带隙大于所述Ⅱ钙钛矿材料层的带隙，所述Ⅲ钙钛矿材料层的带隙大于所述Ⅱ钙钛矿材料层的带隙；
所述Ⅱ钙钛矿材料层的带隙为1.4eV。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿电池，其特征在于，所述Ⅰ钙钛矿材料层相对于所述Ⅱ钙钛矿材料层的导电偏移范围为-0.33~0.08eV，所述Ⅱ钙钛矿材料层相对于所述Ⅲ钙钛矿材料层的导电偏移范围为-0.5~0.03eV。
3.一种太阳能组件，其特征在于，所述太阳能组件具有权利要求1或2所述的钙钛矿电池。
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